GAMES104：游戏中地形、大气和云的渲染（上）

第 6 讲（上）｜本段重点：大规模地形渲染与内容整合
视频时长：约 1 小时 16 分 36 秒
说明：本文根据本地视频的课件与讲解脉络整理，不是逐字稿。这一节依旧基本听不懂。

一句话理解

大型游戏地形的难点不只是“画一张高度图”，而是要在超大尺度、近景细节、稳定的 LOD、材质多样性、流式资源与编辑能力之间做系统级取舍。课程给出的路线是：用自适应网格管理几何密度，用 GPU 管线提高细节生成效率，用虚拟纹理解决材质数据规模，并用相机相对渲染和装饰物/道路系统把地形接入完整世界。

本讲学习目标

区分高度场、三角网格、四叉树与体素地形的表示能力和代价。
理解地形 LOD 为什么会产生 T-Junction、裂缝和过渡问题。
了解 GPU Tessellation、Mesh Shader、Marching Cubes 在地形中的角色。
说明 Texture Splatting 为什么会在大世界中遭遇纹理数量与显存瓶颈。
掌握虚拟纹理的 virtual texture、page table、physical texture 三层思路。
知道相机相对渲染如何缓解超大世界的浮点精度问题。
建立“地形几何、材质、流式、装饰物和编辑工具必须协同设计”的认识。

1. 为什么自然场景是渲染系统的压力测试

自然场景同时具有几类互相冲突的需求：

尺度大：远山、地平线、道路网络与开放世界地表都要求很大覆盖范围。
近景细节多：岩石、泥土、草地、水沟和道路边缘需要足够的几何与材质细节。
视点变化剧烈：玩家高速移动、飞行或切换视角，LOD 不能明显跳变或出现裂缝。
内容要可编辑：关卡人员需要绘制地貌、道路、地表材质、植被和局部标记。
资源预算有限：地形可能覆盖数十到数百平方千米，但内存、显存和每帧带宽有限。

所以地形渲染更像一个“内容生产 + 资源调度 + 图形算法”的联合系统，而不是孤立的 Vertex Shader 技巧。

2. 高度场：简洁但能力受限的地形表示

2.1 Heightfield 的基本模型

高度场把地形写成二维位置上的单值高度：

$y = h(x,z)$

在规则网格上，每个格点保存一个高度值，再由相邻格点组成三角形。它天然适合山地、丘陵、平原等“从上方观察能投影到平面”的地形。

2.2 高度场的优点

数据布局规则，便于存储、采样和 GPU 并行处理。
高度图可视作纹理，编辑工具和生成算法容易接入。
碰撞、植被分布、法线计算、地表混合等功能较容易建立在规则坐标系上。
对远景而言，规则网格配合 LOD 的实现成本较低。

2.3 高度场做不到什么

由于每个 (x, z) 只有一个高度，普通高度场难以自然表达：

悬崖下方的掏空区域；
山洞、隧道、拱门；
同一水平位置的多层地表；
可被挖开的复杂体积地形。

因此，选择高度场意味着以表达力交换效率。开放世界中的大面积地表通常很适合它，但洞穴等局部结构常需要独立网格、体素数据或混合方案补足。

3. 地形 LOD：把三角形花在看得见的地方

3.1 视点相关误差是 LOD 的判断依据

课件提出视点相关的优化原则：LOD 不应只按世界距离粗暴切换，而应关注近似误差在屏幕上是否可见。影响因素包括：

相机与地形块的距离；
视场角与屏幕分辨率；
地形在当前投影下的屏幕尺寸；
地貌变化强度，例如平坦区域与尖锐山脊对网格密度的需求不同。

一个实用目标是：远处误差在屏幕上小到难以察觉，就不值得为它保留近景级别的三角形数量。

3.2 自适应网格细分

自适应细分会让近处或地形变化剧烈的区域使用更密集的三角形，远处或平坦区域使用更粗的网格。这样能显著降低总体三角形数，但也立刻引入邻接块不同细分层级的连接问题。

3.3 T-Junction 与裂缝

当一个细分较密的边与一个较粗的边相接时，细网格的顶点可能落在粗网格边的中间，而粗网格并没有对应顶点。这就是 T-Junction。

若不处理，两个块在光栅化和位移后可能出现细缝、漏光或不连续的轮廓。地形 LOD 的关键并非只会“切得更细”，而是要保证相邻区域的拓扑关系可衔接。

3.4 连续性策略

常见处理思路包括：

约束相邻块的 LOD 等级差，避免差距过大。
为边界准备 stitching（缝合）三角形或索引模式。
让细分模式满足可拼接的规则。
采用带过渡带的形变或几何混合，减少视觉突变。

这些策略都体现了一个事实：地形 LOD 是一张邻接关系图上的全局协调问题，不是每个块各自独立的决策。

4. 三角形、四叉树与不规则三角网

4.1 三角形细分

三角形是 GPU 最基本的图元。以三角形为单位细分，适合不规则地貌和局部误差控制，但邻接关系、边界缝合与索引管理更复杂。

4.2 QuadTree-Based Subdivision

四叉树把地表区域递归分成四个子块。它的主要优点是：

层级结构直观，容易构造与管理。
适合规则网格和块级流式加载。
容易按相机距离做粗粒度裁剪与 LOD 选择。

但四叉树块之间仍要处理不同 LOD 的边界；对于非常不规则的地貌，单纯规则划分的几何效率可能不如更自由的三角网。

4.3 TIN：Triangulated Irregular Network

不规则三角网（TIN）可在地形变化大的地方放更多顶点，在平坦区域放更少顶点。它的优势是几何密度更贴合误差分布；代价是构建、更新、邻接查询、流式和 GPU 数据组织都更复杂。

可以这样概括三者：

表示/划分	强项	主要代价
规则高度网格	实现简单、纹理化友好	容易在平坦区域浪费顶点，难表达洞穴
四叉树块	LOD、裁剪、流式管理清晰	需要处理块边界与层级过渡
TIN	几何密度更贴合地貌	数据结构和邻接管理复杂

5. 让 GPU 参与生成地形细节

5.1 GPU Tessellation

硬件 Tessellation 管线通常包括 Hull Shader、Tessellator、Domain Shader 等阶段。它允许用较粗的控制网格作为输入，再根据距离、曲率或误差在 GPU 上生成更多三角形。

地形中常见的组合是：

CPU 或前序阶段提供粗网格块。
Tessellation 根据视点设定细分因子。
Domain Shader 采样高度图或位移图，生成最终顶点位置。

这让“细节生成”更靠近 GPU，但不能消除细分过度、块边界不一致、位移后裂缝等问题。

5.2 Displacement Mapping 与细分

位移贴图真正改变顶点位置，能够产生轮廓变化；但若基础网格不够密，位移仍然只能看到粗糙台阶。因此它通常与 Tessellation 或足够高密度的几何配合。

不要把它与 Normal Mapping 混淆：法线贴图主要改变光照法线，不会改变物体轮廓，也无法让地形真的“凸起来”。

5.3 Mesh Shader Pipeline

课件还介绍了 Mesh Shader Pipeline：

Amplification/Task 阶段可以决定如何组织工作组、筛选或放大任务。
Mesh Shader 阶段直接输出一小簇顶点和图元。

相比传统固定的几何处理链，Mesh Shader 给引擎更多机会把小块几何生成、可见性筛选和数据布局放到 GPU 上协同完成。它适合现代 GPU 架构，但需要面向目标硬件设计回退路径与资源组织方式。

6. 当高度场不够用：洞穴与体积地形

6.1 挖洞为什么困难

高度场只能表示单层表面，因此“在地面挖洞”会破坏其单值函数假设。单独放置洞穴网格可以解决很多游戏需求，但地表与洞口的连接、材质过渡、碰撞和编辑工作流仍需额外设计。

6.2 体素表示

体素把三维空间离散成格子，每个格子可存密度、材质或符号距离等数据。它能够表示洞穴、悬空岩石和任意拓扑变化，因此适合可破坏地形或程序化地形。

相应代价是：

三维数据量远大于二维高度图。
需要从体数据提取可渲染表面。
编辑、存储、流式与碰撞都更昂贵。

6.3 Marching Cubes

Marching Cubes 通过检查每个体素单元角点的内外状态，选择相应的三角形配置来近似等值面。它是体素地形“从密度场变成三角网格”的经典步骤。

需要注意：Marching Cubes 解决的是表面提取，不自动解决大世界的分块边界、网格更新、LOD、纹理坐标和资源调度；这些仍是引擎系统问题。

7. 地形材质：从贴图混合到可扩展的层系统

7.1 Texture Splatting 的出发点

地形通常需要草地、泥土、碎石、岩石、积雪等多种材料。Texture Splatting 的基本做法是：

采样多个材质纹理；
用权重图/控制图决定每种材质的比例；
将各材质的颜色、法线、粗糙度等属性混合。

它非常直观，适合编辑器中的“刷地表材质”。

7.2 简单混合为什么容易显得不自然

如果仅用平滑权重做线性混合，岩石与草地会像被均匀揉在一起，缺少材料之间应有的覆盖关系和形态逻辑。课程随后给出更高级的做法：引入高度、坡度、噪声或材质优先级，形成带偏置的混合。

7.3 Height-Based Blending

高度混合利用各材质自身的高度信息或局部结构，让“更突出的颗粒/岩石”在过渡区保留形状，而不是被平滑平均掉。它通常更自然，但需要额外纹理数据与更复杂的采样、比较和归一化操作。

7.4 Material Texture Array

多个同规格材质纹理可放入 Texture Array，以层索引选择不同材料。它有助于统一采样接口、减少资源绑定复杂度，并适合材质层数量明确、纹理尺寸和格式统一的场景。

7.5 Parallax 与 Displacement 的取舍

对地表近景，课程对比了颜色贴图、凹凸/法线、Parallax Mapping 和 Displacement Mapping：

Parallax Mapping 主要在像素阶段扰动纹理坐标，制造视差感，不改变真实几何轮廓。
Displacement Mapping 改变几何位置，能提供真实轮廓，但需要网格细分和更多几何成本。

它们的选择取决于玩家距离、边缘轮廓是否可见、GPU 预算和内容复杂度。

8. 材质混合的规模瓶颈

8.1 多材质意味着多次纹理读取

每多一个参与混合的材质，通常就会增加 Base Color、Normal、Mask 等纹理读取。若一个地形像素需要混合很多层，带宽和像素着色成本会迅速上升。

8.2 巨型 Splat Map 的问题

把整个超大世界的材质权重全部放进一张或多张巨大控制图，看似直接，实际会带来：

视频内存中只需要场景的一小部分，但巨大贴图难以整体常驻。
高分辨率世界需要很多 mip 层与存储空间。
远处与近处对材质数据精度的需求不同，统一加载会浪费带宽。
编辑数据和运行时采样数据的理想格式未必相同。

这正是虚拟纹理要解决的问题。

9. 虚拟纹理：用地址空间管理巨大的地表材质

9.1 核心思想

虚拟纹理不要求把整张超大纹理完整放入显存。它把逻辑上巨大的纹理切成固定大小的 tile/page：

Virtual Texture：逻辑地址空间，代表整个世界的材质结果。
Page Table：将虚拟页映射到当前驻留的物理页。
Physical Texture Cache：显存中真正存放已加载 tile 的有限缓存。

Shader 采样时先查询页表，再从物理缓存取对应 tile。不可见或低优先级区域可以不驻留，真正需要时再流入。

9.2 地形中的典型用法

课程列出的思路可以概括为：

在逻辑上为整个场景建立可索引的巨大地表材质空间。
按视点相关 LOD，只加载当前可见区域需要的 tile 数据。
将多层材质混合的结果预烘焙到 tile，并把结果放到物理纹理缓存中。

运行时由“每像素混合很多原始材质”，转为“多数情况下采样已生成的地表 tile”。这就是以离线/后台处理和流式调度，换取稳定的帧内着色成本。

9.3 虚拟纹理不是免费的

它引入了新的工程问题：

页缺失时如何反馈和调度。
快速移动时如何避免 tile pop-in。
page table 更新与缓存替换如何保持正确。
不同 mip、边界过滤和 tile border 如何避免接缝。
编辑后哪些 tile 需要失效、重烘焙和重新上传。

因此，虚拟纹理的价值在于控制规模，而不是省去资源管理。

9.4 DirectStorage 与 DMA 的启发

课件还把虚拟纹理与 DirectStorage、DMA 放在同一脉络中：当存储设备、主存、显存和 GPU 的数据路径更高效时，地形 tile 的流式传输可以减少 CPU 参与和中间拷贝。对引擎设计而言，关键是把资源格式、IO 调度、解压位置和 GPU 上传路径当作一条完整管线来考虑。

10. 超大世界的精度：Camera-Relative Rendering

10.1 浮点精度为什么会出问题

单精度浮点数的可表示间隔会随数值绝对值增大而变粗。当相机和物体的世界坐标达到很大数量级时，细小的位置变化可能无法准确表示，表现为抖动、表面闪烁、物体边缘不稳定等。

10.2 以相机为局部原点

相机相对渲染的做法是：在送入图形变换前，用对象世界坐标减去相机位置，让相机附近的坐标回到接近零的范围。

这样，GPU 参与顶点变换与光栅化的坐标数值保持较小，能显著改善局部精度。世界逻辑仍可维护全局坐标体系；渲染层则使用局部坐标，二者通过变换矩阵衔接。

10.3 它影响的不只是 Vertex Position

采用相机相对坐标后，依赖世界坐标的系统也要保持一致，例如阴影、植被、粒子、Decal、物理/渲染同步、裁剪与材质中的世界空间效果。否则不同系统可能在不同原点下计算，造成视觉或逻辑错位。

11. 地形要与世界其他元素一起工作

11.1 Decorator Rendering

地形本身通常只是底面。岩石、树木、草、灌木、建筑碎片等 decorator 让场景获得尺度感和辨识度。它们同时带来大数量实例的裁剪、LOD、阴影、密度分布与风动等问题。

一个常见原则是：地形系统输出坡度、高度、材质类型、湿度或遮罩等字段；装饰物系统利用这些字段进行规则分布，而不是由每个系统独立猜测地表语义。

11.2 Road 与 Decal

道路往往由样条线编辑：样条既定义道路路径，也可驱动局部地形抬升、压平或雕刻。Decal 则适合叠加道路边缘、轮胎痕迹、湿地、污渍等局部表面信息。

课程展示了把道路和 Decal 结果写入/叠加到虚拟纹理空间的思路。这样可以避免给每条道路都增加大量独立几何或材质层，同时让道路与基础地形使用一致的流式与 LOD 机制。

11.3 程序化地形创建

程序化生成可以从噪声、规则、侵蚀近似或设计约束出发生成高度、材质分布和装饰物候选点。它的价值不只在“自动造山”，还在于为广阔区域建立可控的初始数据，并把重复性工作交给规则系统。

不过程序化结果仍需要与手工编辑、任务布局、道路、玩法空间和美术方向协作。规模化生成并不替代关卡设计。

12. 本讲的系统性结论

12.1 三个层次必须对齐

层次	关键问题	课程中的代表技术
几何层	哪些区域需要多少三角形，如何无缝连接	LOD、四叉树、TIN、Tessellation、Mesh Shader
表面层	大地表如何呈现多种材料又不压垮像素着色	Splatting、Texture Array、Parallax、虚拟纹理
世界层	如何让大坐标、流式、道路、植被和编辑工具一致工作	Camera-Relative Rendering、DirectStorage/DMA、Decorator、Decal、程序化生成

12.2 最重要的工程取舍

高度场高效，但不能原生表达任意拓扑。
更细网格能提升近景质量，却增加 LOD 连接和吞吐压力。
多材质混合更丰富，却放大纹理采样与显存成本。
虚拟纹理解决“规模”，但要求可靠的缓存、反馈与流式系统。
超大世界可以保留全局逻辑坐标，但渲染应尽量在相机附近的小坐标范围中进行。

13. 复习用速记

13.1 一条因果链

大世界覆盖范围大
→ 不能让所有区域使用同等几何密度
→ 需要视点相关 LOD 与无缝边界策略
→ 高细节地表需要多种材料混合
→ 原始材质层过多会造成带宽与显存压力
→ 虚拟纹理按可见性和 LOD 流式管理 tile
→ 大坐标场景还需要相机相对渲染保持数值稳定
→ 道路、植被、Decal 与编辑工具共享同一世界数据与资源管线。

13.2 容易混淆的概念

概念	主要解决什么	不是用来解决什么
LOD	按可见误差分配几何/纹理预算	任意拓扑表达
Tessellation	在 GPU 上细分控制网格	自动消除所有裂缝与过度细分
Parallax Mapping	增加像素级视差感	改变真实轮廓
Displacement Mapping	改变真实顶点位置	免费获得高密度几何
Texture Splatting	混合多个地表材料	自动解决大世界纹理常驻
Virtual Texture	按页流式管理巨大纹理	省去缓存与 IO 调度
Camera-Relative Rendering	缓解渲染坐标精度问题	取代世界逻辑坐标体系

14. 自测题

为什么普通高度场难以表达洞穴和悬空地形？
视点相关误差为什么比单纯“按距离切 LOD”更合理？
什么是 T-Junction？它会在地形渲染中造成什么问题？
四叉树和 TIN 各自更擅长解决什么问题？
GPU Tessellation 与 Displacement Mapping 分别承担什么职责？
Mesh Shader 相比传统几何管线带来了哪些可组织空间？
Marching Cubes 在体素地形工作流中的输入和输出分别是什么？
简单 Texture Splatting 为什么容易出现不自然的平滑过渡？
Height-Based Blending 如何改善材质过渡？
为什么多材质混合会显著提高像素着色和带宽压力？
虚拟纹理中的 virtual texture、page table、physical texture 分别是什么？
为什么虚拟纹理需要处理页缺失、缓存替换和 tile 边界？
相机相对渲染如何缓解浮点精度误差？
为什么道路、Decal、植被和地形不能完全作为彼此独立的系统？

15. 术语表

术语	含义
Heightfield	用二维位置映射单一高度值的地形表示
LOD	Level of Detail，根据可见性/误差选择不同细节级别
T-Junction	一个网格边上的顶点未与相邻网格对应顶点连接的拓扑情况
Stitching	为不同 LOD 网格边界构造连接关系以避免裂缝
QuadTree	将平面区域递归划分为四个子区域的层级结构
TIN	Triangulated Irregular Network，不规则三角网
Tessellation	在 GPU 上对控制网格进行细分的图形管线能力
Mesh Shader	可直接在 GPU 上生成/组织小簇顶点与图元的可编程阶段
Voxel	三维体素网格中的离散单元
Marching Cubes	从体数据的等值面提取三角网格的经典算法
Texture Splatting	用权重控制多个地表材质纹理混合的方法
Texture Array	在单一资源中存放多层同规格纹理的结构
Virtual Texture	以页表映射和物理缓存实现的超大逻辑纹理
Page Table	记录虚拟纹理页到物理缓存页映射的表
Camera-Relative Rendering	以相机附近为局部原点进行渲染，降低大坐标精度误差
Decal	贴附或投射到已有表面上的局部材质/细节效果

16. 参考资料

B 站视频：06.游戏中地形大气和云的渲染（上）｜GAMES104
GAMES104 课程主页：GAMES104
课程讲义与视频索引：GAMES104 Slides